Existau doar opt ingrediente: două proteine, trei agenți tampon, două tipuri de molecule de grăsime și puțină energie chimică. Dar acest lucru a fost suficient pentru a crea o flotilă de pete care țopăie și pulsează – structuri rudimentare asemănătoare unor celule cu o parte din mașinăria necesară pentru a se diviza pe cont propriu.

Pentru biofizicianul Petra Schwille, creațiile dansante din laboratorul său reprezintă un pas important în direcția construirii unei celule sintetice de jos în sus, lucru la care a lucrat în ultimii zece ani, cel mai recent la Institutul Max Planck de Biochimie din Martinsried, Germania.

“Întotdeauna am fost fascinată de această întrebare: “Ce deosebește viața de materia non-vie?””, spune ea. Provocarea, potrivit lui Schwille, este de a determina ce componente sunt necesare pentru a face un sistem viu. În celula ei sintetică perfectă, ea ar cunoaște fiecare factor care o face să funcționeze.

Cercetătorii încearcă să creeze celule artificiale de mai bine de 20 de ani – punând cap la cap biomoleculele în contextul potrivit pentru a aproxima diferite aspecte ale vieții. Deși există multe astfel de aspecte, acestea se împart, în general, în trei categorii: compartimentarea, sau separarea biomoleculelor în spațiu; metabolismul, biochimia care susține viața; și controlul informațional, stocarea și gestionarea instrucțiunilor celulare.

Ritmul de lucru s-a accelerat, datorită, în parte, progreselor recente în tehnologiile microfluidice, care permit oamenilor de știință să coordoneze mișcările componentelor celulare minuscule. Grupurile de cercetători au determinat deja modalități de a sculpta pete celulare în formele dorite; de a crea versiuni rudimentare ale metabolismului celular; și de a transplanta genomuri artizanale în celule vii. Dar aducerea tuturor acestor elemente împreună rămâne o provocare.

Câmpul este, cu toate acestea, impregnat de un nou sentiment de optimism cu privire la această căutare. În septembrie 2017, cercetători din 17 laboratoare din Olanda au format grupul Building a Synthetic Cell (BaSyC), care își propune să construiască un “sistem asemănător unei celule, care să crească și să se dividă” în termen de zece ani, potrivit biofizicianului Marileen Dogterom, care conduce BaSyC și un laborator de la Universitatea de Tehnologie din Delft. Proiectul este alimentat de o subvenție de 18,8 milioane de euro (21,3 milioane de dolari) din partea Dutch Gravitation.

În septembrie, National Science Foundation (NSF) din SUA a anunțat primul său program privind celulele sintetice, finanțat cu 10 milioane de dolari. Iar mai mulți cercetători europeni, printre care Schwille, au propus construirea unei celule sintetice ca unul dintre programele emblematice ale Comisiei Europene privind tehnologiile viitoare și emergente, care beneficiază de o finanțare de 1 miliard de euro.

Biologii sinteticieni de jos prevăd că primele celule complet artificiale ar putea da naștere la viață în puțin mai mult de un deceniu. “Sunt destul de sigur că vom ajunge acolo”, spune Schwille.

Toate în ambalaj

Grupurile de cercetare au făcut pași mari în recrearea mai multor aspecte ale vieții de tip celular, în special în imitarea membranelor care înconjoară celulele și compartimentează componentele interne. Acest lucru se datorează faptului că organizarea moleculelor este esențială pentru a le face să lucreze împreună la momentul și locul potrivit. Deși puteți deschide un miliard de bacterii și să turnați conținutul într-o eprubetă, de exemplu, procesele biologice nu ar continua mult timp. Unele componente trebuie ținute separat, iar altele trebuie aduse împreună.

“Pentru mine, este vorba despre sociologia moleculelor”, spune Cees Dekker, un biofizician, de asemenea de la Universitatea de Tehnologie din Delft.

În cea mai mare parte, acest lucru înseamnă organizarea biomoleculelor pe sau în interiorul membranelor lipidice. Schwille și echipa sa sunt experți în manevrarea membranelor. Începând cu aproximativ un deceniu în urmă, echipa a început să adauge proteinele Min, care dirijează mașinăria de diviziune a unei celule bacteriene, pe foi de membrană artificială realizate din lipide. Cercetătorii au descoperit că proteinele Mins se atașează și se desprind de membrane, făcându-le să se agite și să se învârtă1. Dar când au adăugat Mins la sfere 3D de lipide, structurile au explodat ca niște bule de săpun, spune Schwille. Grupul ei și alții au depășit această problemă folosind tehnici microfluidice pentru a construi containere membranare de dimensiunea celulelor, sau lipozomi, care pot tolera inserții multiple de proteine – fie în membranele însele, fie în interior.

Schwille, Thomas Litschel, student absolvent al lui Schwille, și colaboratorii săi au dizolvat proteinele Min în apă și au eliberat picături din acest amestec într-un tub de testare care se rotește rapid. Forța centrifugă trage picăturile prin straturi de lipide dense care le încapsulează pe parcurs. Ele ies la celălalt capăt sub formă de lipozomi cu diametrul de 10-20 de micrometri – aproximativ de mărimea unei celule vegetale sau animale medii. Acești lipozomi, cunoscuți sub numele de vezicule unilamelare gigantice (GUVs), pot fi realizați în moduri diferite, dar în mâinile lui Litschel, proteinele Min au făcut ca GUVs să pulseze, să danseze și să se contracte în mijloc2.

Grupul lui Schwille vrea să valorifice cunoștințele sale despre aceste proteine, care pot produce modele de membrană și se pot auto-organiza. “Înțelegem foarte bine aceste molecule”, spune ea. “Ne-ar plăcea să vedem cât de departe putem ajunge cu elemente relativ simple precum Mins.” Poate că, așa cum sugerează munca lui Litschel, echipa ar putea folosi proteinele pentru a modela membranele pentru diviziune sau pentru a aduna componente la un capăt al unei celule sintetice. La fel cum unii fizicieni ar putea folosi bandă adezivă și staniol pentru a-și pune la punct experimentele, Schwille spune că speră că aceste molecule biologice la îndemână îi vor da posibilitatea de a bricola cu structuri de tip celular: “Sunt o experimentalistă până în măduva oaselor”.

Membrii echipei luiekker au umplut, de asemenea, lipozomii cu proteinele lor preferate folosind un cip microfluidic (vezi “Mașinile cu bule”). Pe cip, două canale care conțin molecule lipidice converg către un canal umplut cu apă și scuipă lipozomi de mărimea unei celule care pot conține diverse molecule biologice, fie lipite prin membrană, fie plutind liber în interiorul recipientului3.

Grupul său a experimentat presurizarea, deformarea și remodelarea lipozomilor pentru a căpăta forme nesferice care să imite mai bine celulele. Dispozitivele microfluidice oferă cercetătorilor mai mult control pentru a muta, sorta și manipula lipozomii folosind microcanale care funcționează aproape ca niște circuite. Anul acesta, laboratorul Dekker a proiectat un cip care ar putea despărți mecanic un lipozom în două prin împingerea acestuia împotriva unui vârf ascuțit4.

“Acest lucru, desigur, nu este ceea ce urmărim noi – vrem să demonstrăm divizarea din interior, dar tot ne spune informații interesante”, spune Dekker. Printre exemple se numără forța de care este nevoie pentru a diviza o celulă și ce tipuri de manipulare fizică pot tolera lipozomii. În aceeași ordine de idei, echipa sa s-a jucat, de asemenea, cu forma celulelor Escherichia coli vii – făcându-le mai late sau pătrate prin cultivarea lor în camere de silicon nanofabricate. În acest fel, membrii echipei pot vedea modul în care forma celulei afectează mecanismul de diviziune și pot evalua modul în care proteinele Min funcționează în celule de dimensiuni și forme diferite5.

“Ne jucăm cu tehnicile de nanofabricare și facem lucruri pe care un biolog celular normal nu le-ar face niciodată”, spune el. “Dar un biofizician ciudat ca mine poate face asta.”

Aducerea de energie în sistem

Acum că este posibil să se adauge componente în bulele de lipozomi fără a le sparge, grupurile pot planifica cum să facă moleculele să lucreze împreună. Aproape orice lucru asemănător vieții necesită energie celulară, de obicei sub formă de ATP. Și, deși aceasta poate fi adăugată din exterior pentru a alimenta un sistem sintetic, mulți biologi care lucrează la abordări de jos în sus susțin că o adevărată celulă sintetică ar trebui să aibă propria centrală electrică, ceva similar cu mitocondria unei celule animale sau cloroplastul unei plante, ambele producând ATP.

Grupul lui Joachim Spatz de la Institutul Max Planck pentru Cercetare Medicală din Heidelberg, Germania, a construit o mitocondrie rudimentară care poate crea ATP în interiorul unei vezicule.

Pentru a face acest lucru, echipa sa a profitat de noile tehnici microfluidice. În primul rând, au stabilizat GUV-urile plasându-le în interiorul unor picături de apă în ulei înconjurate de o coajă vâscoasă de polimeri. Apoi, pe măsură ce aceste GUV-uri stabilizate prin picături curgeau pe un microcanal, echipa a injectat proteine mari în ele, fie în interiorul veziculei, fie încorporate în suprafața membranei (vezi “Liniile de asamblare”).

Au încărcat aceste membrane cu o enzimă numită ATP-sintetază, care acționează ca un fel de roată de apă moleculară, creând energie ATP din moleculele precursoare pe măsură ce protonii curg prin membrană. Prin adăugarea de acid pentru a stimula protonii în afara GUV-urilor, echipa a impulsionat producția de ATP în interior6.

Spatz explică faptul că cercetătorii ar putea cicla din nou GUV-urile în jurul microcanalului pentru o altă injecție de proteine, pentru a adăuga secvențial componente. De exemplu, următorul pas ar putea fi adăugarea unei componente care va stabili automat gradientul de protoni pentru sistem.

“Acesta este un modul important, așa cum aveți în viața reală”, spune Spatz.

Un alt grup de biologie sintetică de la Max Planck, condus de biochimistul Tobias Erb, a lucrat la alte abordări pentru construirea căilor metabolice celulare. El este interesat în special de căile care permit microbilor fotosintetici să extragă dioxidul de carbon din mediul înconjurător și să producă zaharuri și alte elemente de construcție celulară.

Erb, lider de grup la Institutul Max Planck pentru Microbiologie Terestră din Marburg, Germania, adoptă o abordare de tablă albă pentru a sintetiza căile metabolice celulare. “Din punct de vedere ingineresc, ne gândim cum să proiectăm”, spune el, “și apoi îl construim în laborator”.

Grupul său a schițat un proiect de sistem care ar putea converti CO2 în malat, un metabolit cheie produs în timpul fotosintezei. Echipa a prezis că această cale ar fi chiar mai eficientă decât fotosinteza. Apoi, Erb și echipa sa au căutat în bazele de date enzimele care ar putea realiza fiecare dintre reacții. Pentru câteva dintre ele, a fost nevoie să modifice enzimele existente și să le transforme în enzime de design.

În final, au găsit 17 enzime din 9 organisme diferite, inclusiv E. coli, un arheon, planta Arabidopsis și oamenii. Reacția, poate deloc surprinzător, a fost ineficientă și lentă7.

“Am pus laolaltă o echipă de enzime care nu au jucat bine împreună”, spune Erb. Cu toate acestea, după o inginerie enzimatică suplimentară, echipa are o “versiune 5.4” care, potrivit lui Erb, funcționează cu 20% mai eficient decât fotosinteza.

Extinzând această lucrare, grupul lui Erb a început să construiască o versiune brută a unui cloroplast sintetic. Prin măcinarea spanacului într-un blender și prin adăugarea mașinăriei de fotosinteză a acestuia la sistemul lor enzimatic din eprubetă, biologii pot conduce producția de ATP și transformarea CO2 în malat – doar prin aplicarea de lumină ultravioletă asupra acestuia.

Deși totul poate funcționa pentru o scurtă perioadă de timp într-o eprubetă, spune Erb, “la final, am dori să fie compartimentat, ca un cloroplast”. El este încântat să colaboreze cu biologi sinteticieni precum Kate Adamala, care pot construi și controla compartimente complexe.

Grupul lui Adamala de la Universitatea Minnesota din Minneapolis lucrează la modalități de a construi bioreactoare programabile, prin introducerea unor circuite genetice simple în lipozomi și fuzionarea lor pentru a crea bioreactoare mai complexe. Ea le numește “bule de săpun care produc proteine”.

Grupul ei construiește aceste bioreactoare folosind un sistem de tuburi rotative similar cu cel al lui Schwille, dar care produce lipozomi mai mici. Cercetătorii adaugă cercuri de ADN numite plasmide pe care le-au conceput pentru a îndeplini o anumită funcție, împreună cu toată mașinăria necesară pentru a produce proteine din ADN.

De exemplu, grupul ei a realizat bioreactoare de lipozomi care pot detecta un antibiotic în mediul lor prin porii membranari și pot genera un semnal bioluminescent ca răspuns8.

Prin fuzionarea secvențială a unor bioreactoare simple, echipa poate construi circuite genetice mai complexe. Dar sistemele încep să se descompună pe măsură ce se extind pentru a include zece sau mai multe componente. Aceasta este o provocare majoră pentru acest domeniu, spune Adamala. Într-o celulă reală, proteinele care ar putea interfera cu acțiunile reciproce sunt ținute la distanță printr-o varietate de mecanisme. Pentru celulele sintetice mult mai simple, biologii trebuie să găsească alte modalități de a impune acest control. Acest lucru ar putea fi prin intermediul unui control extern, în care experimentatorul decide ce lipozomi sunt amestecați împreună și când. De asemenea, ar putea fi realizat prin etichete chimice care să reglementeze ce lipozomi pot fuziona împreună sau printr-un sistem de eliberare în timp.

Injecții informative

O altă cheie pentru realizarea unei celule este obținerea unui software corect. Pentru a permite unei celule sintetice să urmeze instrucțiunile oamenilor de știință și să se reproducă singură va fi nevoie de o modalitate de stocare și recuperare a informațiilor. În cazul sistemelor vii, acest lucru este realizat de gene – de la sute pentru unii microbi, la zeci de mii pentru oameni.

Câte gene va avea nevoie o celulă sintetică pentru a se rula singură este o chestiune care face obiectul unei dezbateri sănătoase. Schwille și alții ar dori să se mențină în jurul a câteva zeci. Alții, precum Adamala, consideră că celulele sintetice au nevoie de 200-300 de gene.

Alții au ales să înceapă cu ceva viu. Biologul sintetic John Glass și colegii săi de la Institutul J. Craig Venter (JCVI) din La Jolla, California, au luat unul dintre cele mai mici genomuri microbiene cunoscute de pe planetă, cel al bacteriei Mycoplasma mycoides, și i-au perturbat sistematic genele pentru a le identifica pe cele esențiale. Odată ce au obținut aceste informații, au asamblat chimic un genom minim în laborator.

Acest genom sintetizat conținea 473 de gene – aproximativ jumătate din ceea ce era în organismul original – și a fost transplantat într-o specie bacteriană înrudită, Mycoplasma capricolum9. În 2016, echipa a arătat că acest genom sintetic minim ar putea “porni” un organism cu viață liberă, deși cu creștere lentă10. Glass este de părere că va fi greu să mai micșorezi mult acest număr: dacă îndepărtezi orice genă, aceasta fie ucide celulele, fie le încetinește creșterea până aproape de zero, spune el.

El și colegii săi de la JCVI întocmesc o listă de “sarcini celulare” pe baza celei mai recente versiuni a creației lor, JCVI-syn3.0a, care ar putea acționa ca o schiță a listei minime de sarcini a unei celule. Dar pentru aproximativ 100 dintre aceste gene, ei nu pot identifica ceea ce fac ele și care le face esențiale.

Ca pas următor, și cu sprijinul unei subvenții NSF de aproape 1 milion de dolari, Glass și Adamala vor încerca să instaleze genomul JCVI-syn3.0a într-un lipozom sintetic care conține mașinăria necesară pentru a converti ADN-ul în proteine, pentru a vedea dacă poate supraviețui. În acest caz, atât software-ul, cât și hardware-ul celulei ar fi sintetice de la început.

Dacă ar putea să crească și să se dividă, acesta ar fi un pas extraordinar. Dar mulți susțin că, pentru a reprezenta cu adevărat un sistem viu, ar trebui, de asemenea, să evolueze și să se adapteze la mediul său. Acesta este obiectivul cu cele mai imprevizibile rezultate și, de asemenea, cu cele mai mari provocări, spune Schwille. “Un lucru care pur și simplu se creează singur tot timpul nu este viață – deși aș fi fericit cu asta!”, spune ea. “Pentru ca o celulă să fie vie, ea trebuie să dezvolte noi funcționalități”.

Echipa lui Glass de la JCVI a făcut experimente de evoluție adaptivă în laborator cu JCVI-syn3.0a, selectând organisme care cresc mai repede într-un bulion bogat în nutrienți. Până în prezent, după aproximativ 400 de diviziuni, el și echipa sa au obținut celule care cresc cu aproximativ 15% mai repede decât organismul original. Și au observat că au apărut o mână de modificări ale secvenței genetice. Dar nu există încă nicio dovadă că microbul ar fi dezvoltat noi funcții celulare sau că și-ar fi sporit cu pași repezi condiția fizică.

Erb spune că a găsi modalitatea de a adăuga evoluție la celulele sintetice este singura cale de a le face interesante. Acel pic de dezordine din sistemele biologice este ceea ce le permite să își îmbunătățească performanțele. “Ca ingineri, nu putem construi o celulă sintetică perfectă. Trebuie să construim un sistem care se autocorectează și care devine mai bun pe măsură ce avansează”, spune el.

Celele sintetice ar putea duce la descoperiri despre cum ar putea arăta viața pe alte planete. Iar bioreactoarele sintetice aflate sub controlul complet al unui cercetător ar putea oferi noi soluții pentru tratarea cancerului, combaterea rezistenței la antibiotice sau curățarea siturilor toxice. Eliberarea unui astfel de organism în corpul uman sau în mediul înconjurător ar fi riscantă, dar un organism proiectat de sus în jos cu comportamente necunoscute și imprevizibile ar putea fi și mai riscant.

Dogterom spune că celulele vii sintetice aduc și alte întrebări filosofice și etice: “Va fi aceasta o viață? Va fi autonomă? O vom controla?”. Aceste conversații ar trebui să aibă loc între oamenii de știință și public, spune ea. În ceea ce privește preocupările legate de faptul că celulele sintetice se vor dezlănțui, Dogterom este mai puțin îngrijorată. “Sunt convinsă că prima noastră celulă sintetică va fi o imitație jalnică a ceea ce există deja”. Și, în calitate de ingineri ai vieții sintetice, ea și colegii ei pot încorpora cu ușurință controale sau un întrerupător care să facă celulele inofensive.

Ea și alți biologi sintetici vor continua să meargă înainte explorând frontierele vieții. “Momentul este potrivit”, spune Dogterom. “Avem genomurile, lista de piese. Celula minimă are nevoie doar de câteva sute de gene pentru a avea ceva care să pară oarecum viu. Sute de părți reprezintă o provocare imensă, dar nu sunt mii – asta este foarte interesant”.